DE102009026590A1 - Detecting the leaving of an operating range of a fuel cell system and initiating the necessary steps - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle (2), wobei ein Massenstrom (10) die Brennstoffzelle (2) durchströmt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Verfahren einen ersten Schritt zur Erkennung eines Abweichens von einem zulässigen Betriebsbereich (B) enthält, wobei der erste Schritt folgende Einzelschritte umfasst: · Definieren des zulässigen Betriebsbereichs (B) dadurch, dass einem Massenstromwert $I1 zulässige Druckdifferenzen (ΔP) aus einem ersten Druck (P) des Massenstroms (10) vor der Brennstoffzelle (2) und einem zweiten Druck (P) des Massenstroms (10) nach der Brennstoffzelle (2) innerhalb von Toleranzgrenzen (B', B'') zugeordnet werden · Messen des ersten Drucks (P) vor einem Eintritt des Massenstroms (10) in die Brennstoffzelle (2) an einem Zeitpunkt · Messen des zweiten Drucks (P) nach einem Austritt des Massenstroms (10) aus der Brennstoffzelle (2) an dem Zeitpunkt · Schließen auf ein Abweichen von dem zulässigen Betriebbereich (B), wenn ein Betriebspunkt (A, A, A, A, A, A), der durch eine Zuordnung des Massenstromwertes $I2 des, insbesondere zeitgleich, durchströmenden Massenstroms (10) zu einer gemessenen Druckdifferenz (ΔP) aus dem gemessenen ersten Druck (P) und dem gemessenen zweiten Druck (P) charakterisiert ist, außerhalb der Toleranzgrenzen (B', B'') des zulässigen Betriebsbereichs (B) liegt und dass das Verfahren einen ...The invention relates to a method for operating a fuel cell system (1) with at least one fuel cell (2), wherein a mass flow (10) flows through the fuel cell (2). According to the invention, the method includes a first step for detecting a deviation from an allowable operating range (B), wherein the first step comprises the following individual steps: Defining the permissible operating range (B) by permitting a mass flow value $ I1 permissible pressure differences (ΔP ) from a first pressure (P) of the mass flow (10) before the fuel cell (2) and a second pressure (P) of the mass flow (10) to the fuel cell (2) within tolerance limits (B ', B' ') are assigned Measuring the first pressure (P) before entry of the mass flow (10) into the fuel cell (2) at a time · measuring the second pressure (P) after an exit of the mass flow (10) from the fuel cell (2) at the time · Closing to a deviation from the permissible operating range (B) when an operating point (A, A, A, A, A, A) flowing through an allocation of the mass flow value $ I2 of, in particular at the same time mass flow (10) to a measured pressure difference (ΔP) from the measured first pressure (P) and the measured second pressure (P) is characterized, outside the tolerance limits (B ', B' ') of the permissible operating range (B) is and that the procedure a ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1, wobei ein Massenstrom die Brennstoffzelle durchströmt. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 13.The The invention relates to a method for operating a fuel cell system with at least one fuel cell according to The preamble of claim 1, wherein a mass flow is the fuel cell flows through. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 13.
Stand der TechnikState of the art
Eine Brennstoffzelle wird von verschiedenen Massenströmen, wie einem Kathodenstrom, einem Anodenstrom und/oder einem Kühlmittelstrom, durchflossen. Um einen ordnungsgemäßen Betrieb der Brennstoffzelle zu gewährleisten, ist es notwendig, dass die Massenströme in gewünschter Stärke die Brennstoffzelle durchströmen. Daher sollen die Kanäle, in denen die Massenströme fließen, keine Leckage aufweisen bzw. eine solche Leckage sollte detektiert werden: Als Kanal wird im Weiteren jegliche Art von Rohrleitung, Schlauch, Flowfield oder ähnliches bezeichnet, durch den ein Massenstrom fließen kann. Beispielsweise kann eine Leckage in einem Kathodenstrom zu einer Unterversorgung der Brennstoffzelle mit Sauerstoff und damit zu einer Schädigung einer Membran der Brennstoffzelle führen.A Fuel cell is powered by different mass flows, such as a cathode current, an anode current and / or a coolant flow. To ensure proper operation of the fuel cell To ensure it is necessary that the mass flows flow through the fuel cell in the desired strength. Therefore, the channels in which the mass flows flow, have no leakage or such a leak should be detected: As a channel in the following any kind of pipeline, hose, flowfield or the like, through which a mass flow can flow. For example Leakage in a cathode current can lead to undersupply the fuel cell with oxygen and thus damage lead a membrane of the fuel cell.
Die
Offenlegungsschrift
Ein weiteres Hindernis beim ordnungsgemäßen Betrieb eines Brennstoffzellensystems sind feste und/oder im Falle eines gasförmigen Massenstroms auch flüssige Ansammlungen in den Kanälen, die einen Druckverlust des Massenstroms erhöhen. Hierbei ist insbesondere ein Kaltstart eines Brennstoffzellensystems, z. B. bei Einbau des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug, bei dem Wasser in dem Kanal gefrieren kann, so dass schlimmsten Falls der Kanal sogar zufriert, zu nennen. Auch in diesem Fall kann es für das Beispiel eines zufrierenden Kanals eines Kathodenstroms zu einer Schädigung der Membran der Brennstoffzelle durch Unterversorgung mit Sauerstoff kommen.One Another obstacle to proper operation of a fuel cell system are fixed and / or in the case of a gaseous mass flow, also liquid accumulations in the channels showing a pressure drop of the mass flow increase. Here, in particular, a cold start of a fuel cell system, z. B. when installing the fuel cell system in a vehicle, can freeze in the water in the channel, so worst If the channel even freezes, call. Also in this case can for the example of a freezing channel of a cathode current to damage the membrane of the fuel cell Undersupply of oxygen.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das eine Störung durch nicht ordnungsgemäße Kanäle, die z. B. eine Leckage oder feste oder flüssige Ansammlungen aufweisen, erkennt und behebt oder im Voraus vermeidet. Hierbei sollte das Verfahren einfach und kostengünstig sein. Das Verfahren sollte von der Art des Massenstroms unabhängig sein. Auch sollte das Verfahren nicht auf eine Art der Störung, z. B. Leckage, beschränkt sein, sondern mehrere Arten der Störungen detektieren und/oder vermeiden können. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, mit dem ein solches Verfahren anwendbar ist.It It is an object of the invention to provide a method which is a disorder through improper channels that z. As a leak or solid or liquid accumulations exhibit, recognize and correct or avoid in advance. in this connection the process should be simple and inexpensive. The Procedure should be independent of the type of mass flow be. Also, the method should not focus on a type of disorder, z. As leakage, be limited, but several types of Detect and / or avoid faults. It is also an object of the invention to provide a fuel cell system with which such a procedure is applicable.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere des kennzeichnenden Teils, vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Brennstoffzellensystem des unabhängigen Anspruchs 13, insbesondere des kennzeichnenden Teils.to Solution of the task becomes a procedure with the characteristics of claim 1, in particular of the characterizing part proposed. Advantageous developments of the method are in the dependent Specified method claims. The task will continue solved by a fuel cell system of the independent Claim 13, in particular of the characterizing part.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems sind in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen angegeben. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein.advantageous Further developments of the fuel cell system are in the dependent Device claims specified. Features and details, in connection with the method according to the invention are described, of course, apply as well in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa. It can in the claims and in the description mentioned features individually be inventive in itself or in combination.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren sind zwei grundsätzliche Schritte vorgesehen. In einem ersten Schritt (Schritt I.) wird erkannt, ob von einem zulässigen Betriebsbereich, welcher zuvor bestimmt worden ist, abgewichen wird. Unter dem zulässigen Betriebsbereich ist ein Betriebsbereich zu verstehen, bei dem das Brennstoffzellensystem üblicherweise und störungsfrei und insbesondere ohne die Brennstoffzelle zu schädigen arbeitet. In einem zweiten Schritt (Schritt II.) kann anhand der Art des Abweichens, also ob und in welcher Richtung und/oder wieviel und/oder unter welchen Bedingungen von dem Betriebsbereich abgewichen wird, auf eine spezifische Störung geschlossen werden und die notwendigen Maßnahmen zur Überwindung/Abschwächung dieser Störung ergriffen werden. Alternativ kann der zulässige Betriebsbereich vorsätzlich verlassen werden, beispielsweise um einer Störung vorzubeugen. Hierbei dient das erfindungsgemäße Verfahren dazu, das Verlassen des zulässigen Betriebsbereiches zu überwachen. In dem zweiten Schritt kann ein Ziehen einer Schlussfolgerung, um welche Art der Störung es sich handelt oder ob der zulässige Betriebsbereich ordnungsgemäß verlassen worden ist, als die Generierung eines Auslöseereignisses verstanden werden, wobei der Generierung ein Folgesignal folgt.In the method according to the invention, two basic steps are provided. In a first step (step I.) it is detected whether a deviation from a permissible operating range which has been previously determined. The permissible operating range is to be understood as an operating range in which the fuel cell system usually operates without interference and in particular without damaging the fuel cell. In a second step (step II.) Can be concluded on the basis of the nature of deviation, ie whether and in which direction and / or how much and / or under what conditions from the operating range, a specific disorder and the necessary measures to overcome / slowdown this disorder are taken. Alternatively, the permissible operating range can be intentionally abandoned, for example, to prevent a fault. Here, the method according to the invention serves to monitor the departure from the permissible operating range. In the second step, drawing a conclusion as to what type of disturbance it is or whether the allowable operating range has been properly exited may be understood as the generation of a triggering event, the generation followed by a sequence signal.
Unter Abweichen von dem zulässigen Betriebsbereich kann ein Über- oder Unterschreitendes zulässigen Betriebsbereiches verstanden werden. Das Brennstoffzellensystem kann sich dabei zuvor in dem zulässigen Betriebsbereich bewegen und beim Abweichen den zulässigen Betriebsbereich verlassen. Es kann aber auch z. B. bei einem Kaltstart sein, dass sich das Brennstoffzellensystem zuvor nicht in dem zulässigen Betriebsbereich aufgehalten hat, so dass ein Abweichen allgemein als ein Sich außerhalb des zulässigen Betriebsbereichs Befinden unabhängig von einem Ausgangszustand des Brennstoffzellensystems verstanden werden kann.Under Deviating from the permissible operating range, an over- or below the permissible operating range become. The fuel cell system can be previously in the permissible operating range and when deviating the leave the permitted operating range. But it can too z. B. be at a cold start that the fuel cell system previously not in the permitted operating range so that a departure is generally considered to be outside the permissible operating range are independent understood from an initial state of the fuel cell system can be.
Um in dem ersten Schritt des Verfahrens das Abweichen von dem zulässigen Betriebsbereich zu erkennen, sieht das Verfahren vor, dass der zulässige Betriebsbereich zunächst festgelegt wird (Einzelschritt I. A.). Hierbei wird einem Massenstromwert zulässigen Druckdifferenzen aus einem ersten Druck des Massenstroms vor der Brennstoffzelle und einem zweiten Druck des Massenstroms nach der Brennstoffzelle zugeordnet. Die Zuordnung findet für mindestens einen Massenstromwert statt. Bevorzugt werden jedoch verschiedene mögliche Massenstromwerte jeweils zulässige Druckdifferenzen zugeordnet. Die Druckdifferenzen liegen dabei innerhalb von Toleranzgrenzen, die für den störungsfreien und keine Schädigung hervorrufenden Betriebs des Brennstoffzellensystems charakteristisch sind. Hierbei kann der zulässige Betriebsbereich unter verschiedenen Betriebsbedingungen, wie Temperatur, Stromproduktion und Feuchtigkeit, erhaltenen zulässige Druckdifferenzen zu einem Massenstromwert umfassen.Around in the first step of the method, deviating from the permissible one Recognize operating range, the procedure provides that the permissible Operating range is initially set (single step I.A.). Here, a mass flow value permissible pressure differences from a first pressure of the mass flow in front of the fuel cell and a second pressure of the mass flow after the fuel cell assigned. The assignment takes place for at least one mass flow value instead of. However, different possible mass flow values are preferred each admissible pressure differences assigned. The pressure differences lie within tolerance limits, which are for the trouble-free and no causing damage Operating the fuel cell system are characteristic. in this connection The allowed operating range can be different Operating conditions such as temperature, power production and humidity, include allowable pressure differences to a mass flow value.
Während des Betriebes wird der erste Druck vor einem Eintritt des Massenstroms in die Brennstoffzelle mit einem ersten Drucksensor gemessen (Einzelschritt I. B.). Zeitgleich wird der zweite Druck nach einem Austritt des Massenstroms aus der Brennstoffzelle mit einem zweiten Drucksensor gemessen (Einzelschritt I. C.). Danach wird in Einzelschritt I. D. die Druckdifferenz aus dem ersten und dem zweiten Druck gebildet. Ein Massenstromwert kann der gemessenen Druckdifferenz aus dem ersten gemessenen und dem zweiten gemessenem Druck zugeordnet werden, so dass ein Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems durch die Zuordnung dieser Druckdifferenz zu dem Massenstromwert definiert ist. Bei dem der gemessenen Druckdifferenz zugeordneten Massenstromwert handelt es sich um die Angabe, in welcher Stärke der Massenstrom momentan im Brennstoffzellensystem strömt. Insbesondere ist der Massenstromwert des Massenstroms, der zeitgleich zu den Messungen des ersten und des zweiten Drucks strömt, gemeint. Danach kann überprüft werden, ob der so erhaltene Betriebspunkt innerhalb der Toleranzgrenzen des zulässigen Betriebsbereiches liegt. Liegt der Betriebspunkt außerhalb des zulässigen Betriebsbereiches, so liegt ein Abweichen vom zulässigen Betriebsbereich vor. Um auf eine Abweichung vom zulässigen Betriebsbereich zu schließen, kann es auch ausreichend sein, wenn aus mindestens einem Betriebsparameter des Brennstoffzellensystems eine Lage des Betriebspunktes außerhalb der Toleranzgrenzen geschlossen werden kann, ohne den Betriebspunkt explizit zu bestimmen.While the operation becomes the first pressure before entry of the mass flow measured in the fuel cell with a first pressure sensor (single step I. B.). At the same time, the second pressure after an exit of the Mass flow from the fuel cell with a second pressure sensor measured (single step I. C.). Thereafter, in single step I. D. the pressure difference of the first and the second pressure formed. A mass flow value can be the measured pressure difference from the first measured and the second measured pressure are assigned, so that an operating point of the fuel cell system by the assignment of these Pressure difference is defined to the mass flow value. In which the Measured pressure difference associated mass flow value is is the indication of the strength of the mass flow at the moment flows in the fuel cell system. In particular, the Mass flow value of the mass flow, which coincides with the measurements of the first and second pressure flows. After that can be checked whether the operating point thus obtained within the tolerance limits of the permissible operating range lies. If the operating point is outside the permissible limit Operating range, there is a deviation from the permissible Operating area. In order for a deviation from the permissible It can also be sufficient to close the operating range be if from at least one operating parameter of the fuel cell system a position of the operating point outside the tolerance limits can be closed without explicitly determining the operating point.
Insbesondere ist es hierbei möglich, dass Einzelschritt I. B. bis I. D. mehrmalig, insbesondere fortlaufend während des Betriebs des Brennstoffzellensystems durchgeführt werden. Dabei kann der Betriebsbereich, muss aber nicht, jedes Mal neu festgelegt werden, sondern die Festlegung des zulässigen Betriebbereiches (Einzelschritt I. A.) kann vor dem Betrieb des Brennstoffzellensystems einmalig oder während des Betriebs einmalig, fortlaufend, in Intervallen oder in Abhängigkeit von anderen Bedingungen festgelegt werden. Wird ein Abweichen von dem zulässigen Betriebsbereich in Einzelschritt I. D. festgestellt, so geht das Verfahren zu Schritt II über.Especially it is possible that single step I. B. to I. D. several times, especially continuously during operation be performed of the fuel cell system. there The operating range may or may not be reset each time but the determination of the permissible operating range (Single step I.A.) may be prior to operation of the fuel cell system once or during operation once, continuously, at intervals or depending on other conditions be determined. Will a deviation from the permissible Operating range in single step I. D. found, it works Procedure to step II.
Dadurch, dass ein allen Massenströmen eigene Charakteristik, nämlich der Druck, in dem vorliegenden Verfahren verwendet wird, ist das Verfahren auf alle eine Brennstoffzelle durchströmende Massenströme anwendbar, wie beispielsweise einen Kathodenstrom, einen Anodenstrom oder einen Kühlmittelstrom. Das Verfahren ist auf verschiedenste Störungen anwendbar, die eine Änderung in der Druckdifferenz hervorrufen. Hierzu gehören Dichteänderungen im Massenstrom, Querschnittsänderungen oder Längenänderungen in einem Kanal, den der Massenstrom durchströmt oder Änderungen der Kanalbeschaffenheit oder der Beschaffenheit der im Kanal eingebauten Elemente. Insbesondere kann das Verfahren sowohl zur Detektion einer Leckage als auch zur Erkennung eines Vorliegens einer festen oder flüssigen Substanz und damit insbesondere zur Erkennung einer Verstopfung innerhalb des Kanals verwendet werden. Da das Verfahren lediglich zwei Drucksensoren und eventuell einen Massenstromsensor benötigt, ist es sehr kostengünstig.Thereby, that a characteristic characteristic of all mass flows, namely the pressure used in the present process is that Method on all a fuel cell flowing mass flows applicable, such as a cathode current, an anode current or a coolant flow. The process is very different Interference applicable, which is a change in the pressure difference cause. These include density changes in the Mass flow, cross-sectional changes or changes in length in a channel through which the mass flow passes or changes the channel texture or texture of the built-in canal Elements. In particular, the method can both for the detection of a Leakage as well as to detect the presence of a fixed or liquid substance and thus in particular for detection a blockage can be used within the channel. Since that Process only two pressure sensors and possibly a mass flow sensor needed, it is very cost effective.
Zum Festlegen des zulässigen Betriebsbereichs kann es vorgesehen sein, dass die Festlegung vor dem eigentlichen Betrieb des Brennstoffzellensystems erfolgt. Hierzu können unterschiedliche Druckdifferenzen vorgegeben werden und dazu mögliche Massenstromwerte gemessen werden, die für einen nahezu optimaler Betrieb charakteristisch sind, so dass eine Messkurve entsteht. Umgekehrt kann auch der Massenstromwert vorgegeben sein und zulässige Druckdifferenzen gemessen werden. Ein Toleranzbereich kann sich beispielsweise dadurch ergeben, dass verschiedene Feuchtigkeits- oder Temperaturschwankungen des Massenstroms möglich sind, ohne dass der Betrieb der Brennstoffzelle dadurch beeinträchtigt wird. Um den Toleranzbereich möglichst klein zu halten, kann es sinnvoll sein, mehrere Betriebsbereiche in Abhängigkeit einer zusätzlichen Messgröße wie Stromstärke oder Leistung der Brennstoffzelle oder Feuchtigkeit des Massenstroms zu definieren. Im Betrieb wird dann ebenfalls die zusätzliche Messgröße ermittelt und der entsprechende zulässige Betriebsbereich im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt. Durch die Festlegung des zulässigen Betriebsbereiches, der während des Betriebs des Brennstoffzellensystems unverändert bleibt, können auch schleichende Störungen erkannt werden. Vor dem Betrieb des Brennstoffzellensystems können zusätzlich durch Messreihen besondere Bereiche von Druckdifferenz und Massenstromwert festgelegt werden, die nicht einem optimalen Betriebszustand entsprechen, dessen Kenntnis aber trotzdem hilfreich ist, beispielsweise einem Bereich, der einem besonders trockenen Kanal entspricht.To set the permissible operating range, it may be provided that the determination takes place before the actual operation of the fuel cell system. For this purpose, different pressure differences can be specified and, for this purpose, possible mass flow values are measured, which are characteristic for almost optimum operation, so that a measurement curve is produced. Conversely, the mass flow value can also be predetermined and permissible pressure differences can be measured. A tolerance range may, for example, result from the fact that different humidity or temperature fluctuations of the mass flow are possible without affecting the operation of the fuel cell. In order to keep the tolerance range as small as possible, it may be useful to define several operating ranges depending on an additional parameter such as current or power of the fuel cell or moisture of the mass flow. During operation, the additional measured variable is then likewise determined and the corresponding permissible operating range is used in the method according to the invention. By determining the permissible operating range, which remains unchanged during operation of the fuel cell system, even creeping disturbances can be detected. Before the operation of the fuel cell system, additional ranges of pressure difference and mass flow value can be determined by measurement series that do not correspond to an optimal operating state, but whose knowledge is still helpful, for example, an area that corresponds to a particularly dry channel.
Alternativ
kann der zulässige Betriebsbereich während des
Betriebes festgelegt werden. Wird eine quadratische Abhängigkeit
des Massenstromwertes ṁ von der Druckdifferenz ΔP
nach einem Drosselmodell gemäß der nachfolgenden
Gleichung (1) angenommen, so können nach Druchlaufen mehrerer
Zustände bei einem störungsfreien Betrieb die Parameter
a0, a1 und a2 bestimmt werden, so dass sich der zulässige
Betriebsbereich ergibt. Alternativ werden die Parameter a0, a1 und a2 zunächst aus einer Messreihe vor
dem Betrieb übernommen.
Weicht der gemessene Massenstromwert von dem mit den gegebenen Parametern nach Gleichung (1) berechnete Massenstromwert ab, so können die Parameter a0, a1 und a2 angepasst werden oder ein Toleranzbereich für die Parameter a0, a1 und a2 festgelegt werden. Vorteilhaft an dieser Art der Festlegung ist, dass keine oder kaum Vorkenntnisse nötig sind und dass der zulässige Betriebsbereich sich variierenden Betriebsbedingungen anpassen kann. Nachteilig ist, dass insbesondere bei schleichenden Veränderungen nicht ohne zusätzliche Informationen zwischen einer Änderung des zulässigen Betriebsbereichs aufgrund von veränderten Betriebsbedingungen oder eine Störung geschlossen werden kann.If the measured mass flow value deviates from the mass flow value calculated using the given parameters according to equation (1), then the parameters a 0 , a 1 and a 2 can be adapted or a tolerance range can be defined for the parameters a 0 , a 1 and a 2 . An advantage of this type of determination is that little or no previous knowledge is necessary and that the permissible operating range can adapt to varying operating conditions. The disadvantage is that, in particular with gradual changes can not be concluded without additional information between a change in the permissible operating range due to changed operating conditions or a fault.
Es kann sein, dass der Massenstromwert, der in Einzelschritt I. D. der gemessenen Druckdifferenz zugeordnet wird, ein gemessener Massenstromwert ist, der insbesondere zeitgleich mit dem ersten und dem zweiten Druck, mit einem Massenstromsensor gemessen wird, d. h. das erfindungsgemäße Verfahren weist einen weiteren Einzelschritt zusätzlich zu den Einzelschritten I. B. und I. C. auf, in dem eine weitere Größe, der Massenstromwert, gemessen und nicht aus anderen Messwerten geschlossen wird. Üblicherweise wird die Messung des Massenstromwertes in den gleichen Intervallen oder bevorzugt fortlaufend wie die Messung des ersten und des zweiten Druckes vorgenommen. Um herauszufinden, ob der Betriebspunkt außerhalb des zulässigen Betriebsbereiches liegt, können die zulässigen Druckdifferenzen zu dem gemessenen Massenstromwert mit der gemessenen Druckdifferenz verglichen werden. Ergibt der Vergleich, dass die Druckdifferenzen sich nicht innerhalb von Toleranzgrenzen entsprechen, so wird auf ein Abweichen vom Betriebsbereich geschlossen. Alternativ kann bei einer vorgegebenen, eingeregelten Druckdifferenz der gemessene Massenstromwert mit dem zulässigen Massenstromwert der vorgegebenen Druckdifferenz verglichen werden.It may be that the mass flow value, in single step I. D. the measured pressure difference is assigned, a measured mass flow value is, in particular, at the same time as the first and the second Pressure measured with a mass flow sensor, d. H. the inventive Method has a further single step in addition to the individual steps I. B. and I. C., in which a further Size, the mass flow value, measured and not is closed from other measured values. Usually will be the measurement of the mass flow value at the same intervals or preferably continuously as the measurement of the first and second Pressure made. To find out if the operating point is outside the permissible operating range is the permissible pressure differences to the measured mass flow value be compared with the measured pressure difference. Yields the Comparison that the pressure differences do not correspond within tolerance limits, so it is concluded that there is a deviation from the operating range. alternative can at a predetermined, adjusted pressure difference of the measured Mass flow value with the permissible mass flow value of predetermined pressure difference can be compared.
Im alternativen Fall kann es sein, dass das Brennstoffzellensystem keinen Massenstromsensor aufweist, sondern der Massenstromwert, der in Einzelschritt I. D. der gemessenen Druckdifferenz zugeordnet wird, anhand von Reglersignale eingestellt und charakterisiert wird. Einer Regelkreisstruktur wird ein Massenstromwert, wie er z. B. zur Erzeugung einer benötigten Leistung der Brennstoffzelle notwendig ist, und ein erster Solldruck vorgegeben. Diesem im Folgenden als ”vorgegebener Masserstromwert” bezeichneten Massenstromwert wird zunächst in der Regelkreisstruktur eine zulässige Druckdifferenz zugeordnet und anhand dieser zulässigen Druckdifferenz und des ersten Solldrucks ein zweiter Solldruck ermittelt. Der erste und der zweite Solldruck werden dem Regler übermittelt. Ebenfalls wird dem Regler die gemessenen Drücke übermittelt. Der Regler gibt nun Reglersignale aus, um einen Massenstromwert einzustellen, bei dem die gemessenen Drücke und die Solldrücke in Übereinstimmung sind. Da bereits durch die Reglersignale auf den einzustellenden Massenstromwert geschlossen werden kann, kann ein Abweichen vom zulässigen Betriebsbereich anhand der Reglersignale erkannt werden, ohne dass der einzustellende Massenstromwert explizit bestimmt werden muss. Das bedeutet, dass in Einzelschritt I. D. auch ohne expliziter Kenntnis des Betriebspunktes auf ein Abweichen vom dem zulässigen Betriebsbereich geschlossen werden kann, da die Reglersignale auf ein Sich Befinden des Betriebspunktes außerhalb des zulässigen Betriebsbereiches hindeuten.In the alternative case, it may be that the fuel cell system has no mass flow sensor, but the mass flow value, which is assigned in a single step ID of the measured pressure difference, adjusted and characterized by means of controller signals. A loop structure is a mass flow value, as z. B. is necessary to generate a required power of the fuel cell, and given a first target pressure. This mass flow value, which is referred to below as the "predetermined mass flow value", is first assigned an admissible pressure difference in the control loop structure and a second setpoint pressure is determined on the basis of this permissible pressure difference and the first set pressure. The first and second set pressures are transmitted to the controller. The measured pressures are also transmitted to the controller. The controller now outputs control signals to set a mass flow value in which the measured pressures and the set pressures are in agreement. Since the mass flow value to be set can already be deduced by the controller signals, it is possible to detect a deviation from the permissible operating range on the basis of the controller signals, without the mass flow value to be set to be determined explicitly. This means that in individual step ID, even without explicit knowledge of the operating point, it is possible to conclude that there is a deviation from the permissible operating range, since the controller signals indicate that the operating point is outside the permissible operating state indicate area.
Insbesondere ist es denkbar, dass der Massenstromwert vor der Brennstoffzelle und vor dem ersten Drucksensor in Strömungsrichtung gemessen wird und alle im Folgenden aufgeführten Schlussfolgerungen beziehen sich, soweit nicht anders erwähnt, hierauf. Generell ist es jedoch auch möglich, dass der Massenstromwert hinter dem zweiten Drucksensor und zwischen dem ersten und dem zweiten Drucksensor gemessen wird. In diesem Fall müssen eventuell andere Schlussfolgerungen aus einem Über- oder Unterschreiten der Toleranzgrenzen gezogen werden.Especially it is conceivable that the mass flow value before the fuel cell and measured upstream of the first pressure sensor in the flow direction and all the conclusions below Unless otherwise mentioned, this. Generally is However, it is also possible that the mass flow value behind the second pressure sensor and between the first and the second Pressure sensor is measured. In this case may need other conclusions from exceeding or falling short of the tolerance limits are drawn.
Beispiele für den zweiten Schritt des Verfahrens werden exemplarisch in den Ausführungsbeispielen besprochen.Examples for the second step of the method will be exemplified discussed in the embodiments.
Die Erfindung wird auch durch ein Brennstoffzellensystem gelöst, mit dem das erfindungsgemäße Verfahren betrieben werden kann. Hierzu weist das Brennstoffzellensystem einen ersten Drucksensor zum Messen des ersten Drucks und einen zweiten Drucksensor zum Messen des zweiten Drucks auf. Ferner muss das System eine Überwachungseinheit aufweisen, mit der festgestellt werden kann, ob das Brennstoffzellensystem sich im zulässigen Betriebsbereich befindet. Die Überwachungeinheit wird, wenn der zulässige Betriebsbereich überschritten ist, der Art des Abweichens entsprechende Maßnahmen einleiten. Wird der Massenstromwert gemessen, so befindet sich weiterhin ein Massenstromsensor im Brennstoffzellensystem. Bevorzugt ist zunächst der Massenstromsensor, dann der erste Drucksensor, dann die Brennstoffzelle und dann der zweiten Drucksensor, in Strömungsrichtung betrachtet, angeordnet.The Invention is also solved by a fuel cell system, operated with the inventive method can be. For this purpose, the fuel cell system has a first Pressure sensor for measuring the first pressure and a second pressure sensor to measure the second pressure. Furthermore, the system must have a monitoring unit with which it can be determined whether the fuel cell system is within the permissible operating range. The monitoring unit will, when the permissible operating range is exceeded is to initiate appropriate measures of derogation. If the mass flow value is measured, then there is still a Mass flow sensor in the fuel cell system. Preferred is first the mass flow sensor, then the first pressure sensor, then the fuel cell and then the second pressure sensor, in the flow direction considered, arranged.
Anstelle einer Brennstoffzelle kann auch ein Brennstoffzellenstapel verwendet werden.Instead of A fuel cell may also use a fuel cell stack become.
Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnung und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigenFurther the invention improving measures will be apparent from the following description of embodiments of the Invention, which are shown schematically in the figures. All from the claims, the description or the drawing Outstanding features and / or benefits, including constructive details, spatial arrangement and method steps can both for yourself and in various combinations be essential to the invention. Show it
In
Erfindungsgemäß wird
der erste Druck P1 mit einem ersten Drucksensor
In
Der zulässige Betriebsbereich kann auch erst während der Brennstoffzellenbetriebs anhand des Drosselmodells gemäß Gleichung (1) ermittelt oder angepasst werden. Hierbei wird zunächst davon ausgegangen, dass der Betrieb störungsfrei ist, so dass die Parameter a0, a1 und a2 bestimmt oder angepasst werden können, woraus sich der zulässige Betriebsbereich B ergibt.The permissible operating range can also be determined or adjusted only during fuel cell operation on the basis of the throttle model according to equation (1). Here, it is initially assumed that the operation is trouble-free, so that the parameters a 0 , a 1 and a 2 can be determined or adjusted, resulting in the permissible operating range B.
Wird
nun das Brennstoffzellensystem
In
Der
Betriebsbereich C kann zum einen dadurch erreicht werden, dass z.
B. durch die elektrochemische Reaktion entstandene Feuchtigkeit
in dem Kanal
Der
Betriebsbereich C kann zum anderen dadurch erreicht werden, dass
z. B. die in dem Kanal
Erkennt
die Überwachungseinheit
Um
ein Gefrieren von Wasser im Kanal
Wird
der Massenstromwert ṁ nicht gemessen, so kann in der Überwachungseinheit
Würde der Massenstromwert ṁ dagegen hinter dem zweiten Drucksensor in Strömungsrichtung gesehen gemessen, so gleichen sich die Figuren für Eis- und Tröpfchenbildung. Jedoch liegt der Betriebspunkt A auch oberhalb des zulässigen Betriebsbereichs B im Falle einer Leckage, so dass zwischen den verschiedenen Störungen nicht mehr unterschieden werden kann.Would the mass flow value ṁ, however, behind the second pressure sensor Measured in the flow direction, so are the same the figures for ice and droplet formation. however the operating point A is also above the permissible Operating range B in case of leakage, so between the different disorders are no longer distinguished can.
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